CN101842323A - 用于同时脱除碳、氮和磷的液-固流化床废水处理系统 - Google Patents

用于同时脱除碳、氮和磷的液-固流化床废水处理系统 Download PDF

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Abstract

由于规定越来越严格，旨在除去含碳基质、营养素和磷的废水处理中生物营养素脱除(BNR)近来在全世界越来越流行。可潜在地用于BNR处理的生物流化床(BFB)技术可提供一些优势，比如高效率和紧凑的结构。本发明在双液-固流化床(LSFB)中结合固定膜生物流化床技术和生物营养素脱除，以非常有效的方式实现了有机碳、氮和磷的同时消除，空间要求非常紧凑。BNR-LSFB具有两个流化床，按缺氧/厌氧和需氧过程运行，以实现同时硝化和脱硝，并脱除含碳基底、营养素和磷，通过缺氧/厌氧床和需氧床进行连续的液体和固体再循环。新的BNR-LSFB系统不仅是常规活性污泥型BNR技术的优异替代方案，也能处理高得多的负载并适合于工业应用。

Description

用于同时脱除碳、氮和磷的液-固流化床废水处理系统
相关美国申请交叉引用
本专利申请是2004年2月24日提出的美国专利申请No.10/784,890的部分连续申请(continuation-in-part application)，美国专利申请No.10/784,890现已被授权并于2007年8月28日公告，美国专利号为7,261,811，美国专利7,261,811是2000年2月10日提出的美国专利申请No.09/676,453的部分连续申请，在此以引用的方式将所述两个申请整体并入。
技术领域
本发明涉及流化床，更特别地，本发明涉及特别适合于废水处理和同时脱除碳、氮和磷的液-固和气-液-固循环流化床设置。
背景技术
自从二十世纪二十年代Winkler首次将流化技术应用于煤的气化[1]，流化技术已被开发近一个世纪。从那时起，流化床已用于许多不同的应用，比如气-固、液-固、和气-液-固接触器并作为化学和生物反应器进行多种不同处理。
流化床应用于废水生物处理过程起源于在流化床中使用活性碳从经过化学处理的污水脱除有机化合物的同时观察到的脱硝现象[2]。从那时起，生物流化床(BFB)已被研究用于多种水和废水的碳氧化、硝化、脱硝和厌氧处理[3，4，5，6]。和介质被固定的常规生物膜反应器相比，固定于BFB中的颗粒上的介质悬浮于向上流动的废水中。因此，BFB具有增大液-固界面面积，增强液体和介质之间的接触，并增大液体流速，以及增强气体存在时气体和液体之间的接触的优势。
当用于需氧过程的系统中加入空气时，生物流化床通常是液-固流化床或气-液-固流化床。液-固系统的流化通过液体流速控制[7，8]。对于给定的液-固系统，起初在液体流速低于最小流化速度时将床固定。当液体速度超过最小流化速度时，床的运行转变成常规或颗粒液-固流态(PFR)。在液-固常规或颗粒流化床(PFB)中，固体颗粒几乎均匀地悬浮于液体中，因此和液相接触良好，且因颗粒在液体中的连续移动和液体施加的拖曳而具有优异的界面传质。随着液体速度的进一步增大，一些颗粒开始被带到床外。此时，流化床从颗粒流态变成快速流态[7，8，9，10]。
当液体速度足够高时，一般当它高于流化床中的颗粒的极限速度时，大量颗粒被带至流化床外。此时，流化床进入快速流态(FFR)(有时，也称为循环流态)以形成快速流化床(FFB)(有时，FFB也称为上升流化床或简称为上升床(riser)，但术语上升床也可广泛地用于任何具有净固体上流(netsolids upflow)的流化床，本申请即采用该定义)。快速流化床一般比颗粒流化床提供更高的液-固传质效率和更高的液体通量。在FFB中，随着颗粒不断被向上流动的液体带出流化床(一般从顶部)，需要向FFB注入更多的颗粒(一般在底部或底部附近)以保持液-固悬浮液。这些注入FFB底部的颗粒可以是新颗粒，或者，如果颗粒只需通过FFB一次则是来自上游过程的颗粒。
如果颗粒应保持在FFB中延长的时间，从FFB顶部流出的颗粒则应再循环回并注入FFB的底部。这样的再循环可通过用于颗粒下流的竖管实现，或存在净颗粒下流的常规PFB实现，但也可通过其他方式实现。当通过具有净颗粒下流的颗粒流化床(PFB)实现这样的颗粒再循环时，包括FFB和PFB的整个系统形成颗粒流动环路，经常将它称为循环流化床(CFB)。
就气-液-固(三相)流化床而言，一般在流化床的底部或底部附近将空气或其他气体注入流化床中。这适用于FFB或PFB，或者它们两者。气体在与液体和固体颗粒相互作用的同时以上升的气泡通过流化床。从固定床，到常规颗粒气-液-固(三相)流化床，然后到快速气-液-固(三相)流化床发生相似的转变[11-13]。随着气泡向上流动，在常规颗粒三相流化床中，实际上存在不止一种流态(比如分散的鼓泡态和合并的鼓泡态)，但为了简单起见，我们将它们统称为颗粒流态(PFR)，相应的颗粒三相流化床称为颗粒流化床(PFB)。
生物流化床(BFB)的优势可用于增大废水处理过程的效率。传统上，用于市政和工业废水处理的最常规和广泛使用的设计是活性污泥(AS)过程，该过程采用初级澄清器(primary clarifier)，曝气池(aeration tank)，和次级澄清器。在这样的过程中，仅将氮从毒性更大的氨形态变成硝酸盐，并通过加入化学品实现除磷。该过程归为悬浮生长系统(suspended-growth system)，其中用于处理的微生物处于悬浮状态。“固定膜”生物反应器相对常规活性污泥过程具有一些优势。在固定膜生物反应器中，细菌膜固定在附着介质上而不是保持在悬浮状态。由于生物质固定在介质上，剪切造成的生物质损失是生物反应器流出液中的生物固体脱离的唯一机制。脱落的生物质(sloughed biomass)主要是具有良好的沉降特性并易于和液体分离的腐败中的生物质[14]。固定膜相对悬浮生长系统最突出的优势是单位体积的生物质密度更高，结果不仅生物反应器尺寸更紧凑，而且处理冲击有机负载(shockorganic loading)并减轻抑制和毒性冲击的能力更好。其他优势包括生物固体的保留增强，和可影响其他因素(比如次级澄清器的尺寸大小)的污泥沉降特性更好。废水处理中最常用的固定膜处理装置是滴滤器，和旋转生物接触器(rotating biological contactors)(RBC)[15]。也使用厌氧过滤器[16]和充气生物过滤器[17]，但比滴滤器和RBC用得少。当把生物膜固定在流化床中的颗粒固体载体上时，可利用BFB的优势(比如液-固界面面积增大及液体和介质之间的接触增强)以进一步增大固定膜生物反应器的效率[18]。应当注意，这样的生物流化床固定膜生物反应器全部在常规颗粒流态下运行，液体速度相对低。
然而，这些过程(悬浮生长和包括固定膜BFB的固定膜生物反应器)仅可实现二级排水质量(secondary effluent quality)，对于氮(N)和磷(P)脱除还需要另外的处理。为了解决上述问题并适应因不断变差的地表水质造成的越来越严格的流出液营养素标准，生物营养素脱除(BNR)过程近来变得越来越流行[19]。在BNR过程中，可同时脱除氮和磷[20，21]。图1显示了典型的BNR过程。这些BNR过程基本上是悬浮生长系统，采用厌氧、缺氧和需氧悬浮生长生物反应器的组合，有或者没有初级澄清。BNR过程涉及不同的微生物群落，并利用所选的称为聚磷菌(phosphorous accumulatingorganisms)(PAO)的微生物吸收丰富的磷的能力，由此细胞中储存的一些磷在厌氧条件期间释放，并在需氧条件期间磷吸收更大。此外，可从硝酸盐得到氧的脱硝细菌减小需氧处理的有机负荷。
已知BNR过程和更常规的活性污泥过程相比具有几个优势，即排水质量优异，充气能量需求显著降低(可能是由于利用形成的硝酸盐脱除有机物)，污泥沉降特性改进，污泥量减少(可能是由于缺氧池中的细菌产率降低)，和化学污泥消除/最小化。尽管和常规活性污泥系统相比，BNR活性污泥系统需要更多的过程控制，但过程控制和数据记录能力的发展显著降低了对人的要求，因此现在两个系统需要的操作要求(operator attendance)相当。因此，除了BNR相对于常规活性污泥系统的优势和它们满足严格的总氮和磷流出液标准外，这些BNR过程显著节约了资本和操作/维护成本。
然而，另一方面，活性污泥BNR过程对流入液的数量和特性(即COD-化学需氧量，N，P，COD/P和COD/N比值))两者的变化的可靠性已受到质疑，许多BNR工厂具有用于P脱除的备用化学品投料系统。在BNR活性污泥系统中已观察到脱硝不完全及食物和微生物的比值(F/M)低引起丝状膨胀(filamentous bulking)情况[22，23]。有时候，由于易生物降解的有机物浓度低，可能需要外部碳源以实现P和N脱除。
考虑到悬浮生长BNR过程的上述缺点，需要开发更有效的BNR废水处理方法。如果可以将BNR概念和固定膜BFB过程结合从而可以同时利用两个过程的优势将是理想的。迄今为止，还没有BFB(不和BNR结合)能够不使用一些化学方法的情况下实现有效的磷脱除[24，25]。就我们所知，还未开发出同时实现生物磷和氮脱除的可靠的BFB固定膜BNR过程。尽管通过在过滤器内交替含氧和缺氧条件已在生物过滤器内实现了通过同时硝化-脱硝实现的氮脱除[26]，但实现的氮脱除率非常低(～20％流入的氮)。
提供用于同时脱除碳、氮和磷酸盐的高效生物流化床将是非常有利的。然而，最主要的困难之一是如何在集成的流化床系统中设置三个不同的过程：厌氧、缺氧和需氧过程。
发明内容
本发明的实施方案旨在提供用于碳、氮和磷脱除的使用双(气-)液-固流化床(双-LSFB或GLSFB)系统的固定膜生物营养素脱除(BNR)废水处理系统。
本发明的一个实施方案提供原废水进料流中的生物营养素脱除方法，以从中脱除碳、氮和磷，该方法包括下列步骤：
使原废水进料流流进第一流化床，使第一流化流体流进第一流化床，并使上面涂布了有效固定细菌的固体颗粒和第一流化流体通过保持在缺氧条件下的缺氧区，所述缺氧条件适合于流过缺氧区的原废水组分的脱硝；
使所述固体颗粒和第一流化流体循环经过所述第一流化床中的保持在厌氧条件下的厌氧区，所述厌氧条件适合于储存的磷的释放；
将所述第一流化流体中的一部分和所述固体颗粒分离以形成回流(recycle stream)，并使所述固体颗粒和第一流化流体的剩余量循环进入第二流化床，其中所述第一流化流体至少包括流进所述第一流化床的回流；
用第二流化流体流使被转移至第二流化床的颗粒循环经过第二流化床，所述第二流化床具有保持在需氧条件下的需氧区，所述需氧条件适合于在氧的存在下，形成第二流化流体的一部分的原废水组分由固定细菌生物降解成二氧化碳、水和硝酸盐，以从需氧区产生硝化流出液；并
随着硝化流出液的一部分将固体颗粒从所述第二流化床循环到所述第一流化床，并在所述第二流化床中将剩余的硝化流出液和所述固体颗粒分离，从系统中脱除该分离的硝化流出液的一部分作为处理后的流出液，并使其余部分回到第二流化床的入口以形成第二流化流体。
本发明的一个实施方案提供双液-固流化床系统，该系统包括：
上面涂布了有效固定细菌的固体颗粒；
具有第一端和第二端的第一流化床，所述第一流化床是上升流化床并包括位于所述第二端用于将第一流化流体引入所述第一流化床的入口；
具有第一端和第二端的第二流化床，所述第二流化床是下降流化床；
连接所述第一流化床的所述第二端和所述第二流化床的所述第一端的第一连接导管，所述第一连接构件包括将所述固体颗粒供给所述第二流化床的构件；
连接所述第二流化床的第二端和所述第一流化床的第一端的第二连接导管；和
构件，其通过所述第一连接导管将所述上面涂布了有效固定细菌的固体颗粒供给所述第一流化床，并通过所述第二连接导管将所述固体颗粒供给所述第一流化床，其中所述固体颗粒和所述第二流化流体在所述第二流化床中以对流关系流动，其中所述固体颗粒和所述第一流化流体在所述第一流化柱中并流流动。
通过参考下列详细描述和附图可进一步理解本发明的功能和有利方面。
附图说明
联系附图，通过下列本发明优选实施方案的详细说明，其他特征、目的和优势将变得明显。其中：
图1说明用于废水处理的典型的现有技术悬浮生长生物营养素脱除方法；
图2显示根据本发明的用于固定膜生物营养素脱除方法的过程的示意性框图；
图3显示双液-固流化床生物营养素脱除系统的图形，该图形没有显示两个耦合柱之外的流体流动路径的细节；
图4是根据本发明构造的双液-固流化床生物营养素脱除系统的一般实施方案的示意图；
图5是设置用于使两个流化床(上升柱和下降柱)在颗粒液-固(或气-液-固)流态下运行的双液-固流化床生物营养素脱除系统的实施方案的示意图；
图6是双液-固流化床生物营养素脱除系统的另一实施方案的示意图，其中一个流化床是快速流化床，另一个是颗粒液-固(或气-液-固)流化床，设置为上升床在快速流态下运行，下降床在常规颗粒流态下运行；
图7是三床液-固流化床生物营养素脱除系统的示意图。
发明详述
总的来说，此处描述的系统涉及使用耦合的循环流化床装置处理废水并同时脱除碳、氮和磷的设备和方法。
尽管此处公开了本发明的实施方案，但公开的实施方案仅仅是示例性的，应当理解，本发明涉及许多替代形式。此外，附图未按比例绘制，且可能放大或缩小了一些特征以显示特定特征的细节，同时可能除去了涉及的元件以防止使新的特征不明显。因此，此处公开的具体结构和功能细节不应解释为限制性的，应仅仅作为权利要求的基础并作为使本领域技术人员以多种方式采用本发明的典型基础。为了说明但不作限制，所述实施方案都针对使用耦合的循环流化床装置处理废水并同时脱除碳、氮和磷的设备和方法的实施方案。
当和颗粒的尺寸范围或其他物理性质或特性一起使用时，此处使用的术语“约”指的是包括颗粒的尺寸范围的上下限可能存在的轻微变化，以免排除平均起来大多数尺寸均满足但统计尺寸可能落在区域之外的实施方案。本发明不希望将诸如这些实施方案排除在外。
当所述系统的构造使得两个流化床按常规颗粒流化床(PFB)在颗粒流态(PFR)下运行时，指的是每个流化床中的表观液体速度低于从颗粒流态到快速流态的转变速度，从而颗粒不大致被向上流动的液流向上带走。
当所述系统的构造使得上升床在快速流态下运行而下降床在常规颗粒流态下运行时，指的是上升床中的表观液体速度高于从颗粒流态到快速流态的转变速度，从而上升床中的颗粒主要被向上流动的液流向上带走，而下降床中的表观液体速度低于从颗粒流态到快速流态的转变速度，从而颗粒不大致被向上流动的液流向上带走。
本发明的实施方案提供用于碳、氮和磷脱除的使用双(气-)液-固流化床(双-LSFB或双-GLSFB)系统的固定膜生物营养素脱除(BNR)废水处理系统。
如图2中的框图形式所示，此处公开了在新的双液-固流化床系统(双-LSFB)中实现的新的固定膜BFB-BNR过程，在将空气或其他气体注入所述系统的至少一个流化床的实施方案中，该系统也可称作双气-液-固流化床系统(双-GLSFB)。
所述新的双-LSFB/GLSFB技术利用流化床的高接触效率，并将BNR的所有三个处理区(厌氧区、缺氧区和需氧区)集成在单个单元(双-LSFB/GLSFB)内。应当理解，在下文中，当涉及液-固流化床系统(LSFB)和/或双液-固流化床系统(双-LSFB)时，也涉及气-液-固流化床系统(GLSFB)和/或双气-液-固流化床系统(双-GLSFB)。
参考图3，本发明的实施方案将至少两个液-固流化床直接集成以形成完全集成的双-LSFB系统(或GLSCFB)。包括LSCFB/GLSCFB的双-LSFB/GLSFB系统的好处是它具有两个单独的流化床，其中在相同的系统中可以容纳两个单独的过程，比如需氧过程和缺氧过程。
在双-LSFB的一个实施方案中，两个流化床均按常规的颗粒流化床(PFB)在颗粒流态(PFR)下运行。在流化床I中，液体和颗粒均向上移动；而在流化床II中，液体向上移动而颗粒向下移动。然后颗粒通过两个流化床顶端或顶端附近的导管从流化床I循环到流化床II，并通过两个流化床底端或底端附近的导管从流化床II循环回流化床I。
在另一实施方案中，流化床I设置为在快速流态下运行的快速流化床，其中液体和颗粒均以较高的速度向上移动。流化床II仍在颗粒流态(PFR)下运行，向下流动的颗粒和向上流动的液体对流。再一次，颗粒通过两个流化床顶端或顶端附近的导管从流化床I循环到流化床II，然后通过两个流化床底端或底端附近的导管从流化床II循环回流化床I。对于这第二个选择，整个系统也可称作LSCFB和GLSCFB系统，可将该系统作为双-LSFB和双-GLSFB系统的特例。
LSCFB和GLSCFB是相对新型的化学和生物处理器，仅在最近被研究[7-13]。据发明人所知，尽管LSCFB和GLSCFB提供许多和一些化学和生物过程不同的优势，但尚未将它们用于任何包括BNR过程在内的废水处理过程。包括LSCFB/GLSCFB的双-LSFB/GLSFB系统的另外的优势在于它具有两个单独的流化床，在相同的系统中可以容纳两个单独的过程，比如需氧过程和缺氧过程。
BNR-双-LSFB(下面简称作BNR-LSFB)系统具有两个流化床互相连接以形成固体循环系统：液体和颗粒均并流向上移动的流化床I，和向上流动的液体及气流和向下流动的颗粒对流的流化床II。一些颗粒通过流化床顶端或顶端附近的导管从流化床I循环到流化床II，其他一些颗粒通过流化床底端或底端附近的导管从流化床II循环回流化床I。因此，颗粒在两个流化柱之间再循环。在上述情况下，流化床I是液-固流化床，而流化床II是气-液-固流化床。
下面更详细地描述上面概述的多个实施方案。
1)一般系统
参考图4，以100表示的液-固流化床生物营养素脱除系统的实施方案由一对流化床组成：第一流化床10是上升柱或床，第二流化床30是下降柱或床，它们根据颗粒的移动方向命名。流化床10和30在它们的相邻端通过连接管路52和54互相连接，所述连接管路52和54使固体和液体在两个柱10和30之间循环。
在第一流化床(上升柱)10中，涂布了细菌(solid bacteria)的固体颗粒50通过底部连接管路52从第二流化床30转移并从流化床10的下端12进入相邻的第一床10，它们和第一流化流体20(比如原废水进料22和来自第一流化床10顶部的回流24的混合物)以并流关系向上流动，第一流化流体20通过流化床10的下端12附近的液体分布器16进入流化床10并通过流化床10向上流动。所述第一流化床10是可以在常规颗粒流态(PFR)或快速流态(FFR)下运行的液-固流化床。任选地，也可将气体进料(图4未显示)注入流化床10的下端12以形成在PFR或者FFR流态下运行的气-液-固流化床。
第二流化床(下降柱)30是常规的对流流动液-固床，其中固体颗粒50(例如，但不限于，熔岩颗粒、沸石、树脂、二氧化硅溶胶-凝胶或其他生物质载体)从流化床30的顶部34附近的上连接管路54进入并向下流动，第二流化流体40(比如回收的流出液44)在流化床30的下端32进入流化床30并相对于颗粒50以对流关系向上流动。通过气体分布器58可将另外的气体56(比如空气)注入流化床30的底部。气体在流化床30中形成气泡并和第二流化液流40并流向上流动。由于气体注入，第二流化床在此情况下事实上是气-液-固流化床。如果没有气体注入，则第二流化床30将是液-固流化床。
如上所述，来自上升床10的固体颗粒50连同来自上升床10的一些带入液体通过上连接管路54在下降床30的顶部34附近的位置38进入下降柱并通过流化床30向下移动。在它们经过流化床30后，颗粒50连同一些带入液体和脱落的生物质进入下连接管路52，并被引入上升柱10。涂布了细菌的固体颗粒50的循环速率可通过位于底部回流管路52的机械阀门或类似装置(未显示)控制。
和图3所示的相似，下降柱30包括需氧区，而上升柱10包括缺氧区和厌氧区。在需氧区中，在来自输入空气的氧的存在下，有机物及氨丰富的废水被主要固定在固体颗粒上的细菌生物降解成二氧化碳、水和硝酸盐等。空气和废水的连续流动保证需氧生物质的可持续性。在缺氧区中，流入的废水和来自需氧区的回流硝化活性污泥流出液混合，主要进行脱硝。来自下降柱30的需氧区的硝化流中的硝酸盐用作氧源以满足废水的氧需求。废水进料和从需氧区生物膜脱落的腐败中的生物质为脱硝提供碳源。当流入的可生物降解的废水组分对缺氧区产生氧需求时形成厌氧区。由于该需求因缺氧/空气流入而得不到满足，厌氧条件占优势。在厌氧区，储存的磷被释放，而挥发性脂肪酸被储存用于需氧区中的进一步降解。
在运行期间，其上具有生物膜的生物质载体从上升柱10中的厌氧区流到下降柱30的顶部区域。需氧过程后，下降床30中的其上具有生物膜的生物质载体通过底部回流管路52被运输至上升床10的基底，以形成沿着上升床10向上流动的颗粒50。底部连接管路52可按移动填充床或密运输床(dense transported bed)状态运行，但也可在半流化或颗粒流化态下运行。上连接管路54可作为稀运输线(dilute transport line)运行，但也可在半流化状态下或作为密运输床或移动填充床运行。在“稀运输”线中，颗粒不均匀地悬浮并被液体运载，在“密运输”线中，颗粒悬浮但不被液体运载。在半流化状态下，仅一些颗粒悬浮而其他位于底部但可被液体流周期性地搅动。在移动填充床中，颗粒基本上填充在一起，但向着线的一个方向移动。
来自上升床10顶部的流出液26回流形成第一流化流体20的一部分，其连同原废水进料22和来自管路52的需氧区的硝化流出液的一部分，和可能的来自下降床30的回流流出液(effluent recycle)44的一部分18然后通过上升床10随着颗粒50并流向上流动。在上升床的顶部区域，大部分第一流化流体20作为上升床流出液26脱除，其余则连同流过上连接管路54的颗粒一起流进下降床30。如果将另外的气体注入上升柱10的底部12，则气体将连同液体并流向上移动以流化固体颗粒50。这些气体将在上升柱10的顶部被分离。
在下降柱30中，在系统的下降(需氧)侧，来自如上所述的下降床流出液46的回流44形成第二流化流体40并在下降床30的底部进入。第二流化流体40连同注入的气体56(优选但不限于空气)流流化下降柱内的颗粒50并通过下降柱30和颗粒50以对流关系移动，并在柱30的顶部作为下降床流出液46离开。流出液46的一部分作为已处理的水48释放，液流的一部分作为液流44循环回下降柱30的底部以维持过程的运行，可能另一部分18回流至上升床10的底部和第一流化流体20汇合。如果采用这种方式，来自下降床30顶部的回流18流到上升床10的底部，以模拟常规活性污泥型BNR系统中硝化的混合溶液从曝气池到缺氧池的再循环。在下降柱30的顶部稀区域中，大多数被带入的颗粒50和在过程期间脱落的污泥靠重力往回沉降，将它们和下降床流出液分离。在下降床30的顶部不会有消耗的空气被分离出来。
2)两个流化床(上升柱和下降柱)都在常规颗粒流态下运行的系统的结构
图5显示两个流化床都按常规颗粒液-固(或气-液-固)流化床运行的双液-固流化床生物营养素脱除系统的另一实施方案的示意图。如图5所示，本发明提供以200表示的液-固流化床生物营养素脱除系统，其由一对流化床组成，包括第一流化床210(上升柱)和第二流化床230(下降柱)，它们根据颗粒的移动方向命名。流化床210和230在下端通过底部连接管路52在相邻端互连，并在上端通过上连接管路54连接，使得固体在两个柱210和230之间循环。
第一流化床210是在颗粒流化流态下运行的常规液-固流化床，其中第一流化速度低于转变成快速流态的转变速度。在第一流化床(上升床)210中，通过底部连接管路52从第二流化床230转移的固体颗粒50在流化床210的下端12附近进入流化床210，并和第一流化流体20(比如原废水进料22和来自第一流化床210的顶部的回流液24的混合物)以并流关系向上流动，第一流化流体20在流化床210的下端12附近通过液体分布器16进入流化床210并向上流过流化床210。
如图4中的系统100，固体颗粒50的循环速率可通过底部回流管路52中安装的机械装置(比如泵或螺旋桨)51控制，以进一步控制从下降床230到上升床210的颗粒流速。
第二流化床(下降柱)230是常规的对流流动液-固床，其中固体颗粒50(例如，但不限于，熔岩颗粒、沸石、树脂、二氧化硅溶胶-凝胶或其他生物质载体)在流化床230的顶部34附近从上连接管路54进入并向下流动，第二流化流体40(比如回流的流出液44)在流化床230的下端32进入流化床230并相对于颗粒50以对流关系向上流动。通过气体分布器58可将另外的气体56(比如空气)注入流化床230的底部。这样的气体在流化床230中形成气泡并和第二流化液体并流向上流动。由于气体注入，第二流化床在此情况下事实上是气-液-固流化床。如果没有气体注入，则第二流化床将是液-固流化床。
在顶部连接管路54中可以任选地安装机械装置(比如泵或螺旋桨)53以控制固体颗粒50从上升床210到下降床230的循环速率。
对于在常规颗粒流态下运行的液-固流化床(在此情况下的第一流化床210)和气-液-固流化床(在此情况下的第二流化床230)，第一和第二流化床都具有两个区域：大多数颗粒所在的底部密相区62和72，以及仅存在少量从密相区带入的颗粒的顶部稀相区64和74。在第一和第二流化床的每个流化床中，这两个区域之间的边界的相对位置将取决于在每个流化床中存在的颗粒的量和每个流化床中的表层液体(和气体，如果存在气体)的速度。另外，在稀相区64和74中的颗粒也具有沉降回密相区62和72的趋势，因而很少的颗粒从两个流化床的顶部逸出。因而，在没有液-固分离器的情况下，不发生显著的颗粒损失。在第二流化床230的顶部稀相区74，脱落的污泥也趋向于沉降回密相区72，但考虑到脱落的污泥的密度比载体颗粒50小，污泥可能在第二流化区的密相和稀相之间的界面处聚集，在那里可以安装出口70，以不时地除去污泥废品。
如上所述，来自上升床210的固体颗粒50连同来自上升床210的一些带入液体通过上连接管路54在下降床230的顶部34附近的位置42进入下降柱230并向下流过下降床230。在它们经过流化床230后，颗粒50连同一些带入液体和脱落的生物质进入下连接管路52，并被引入上升柱210。来自需氧区的硝化的活性污泥，或者附着在载体颗粒上，或者自身作为颗粒，也通过相同的下连接管路52从下降床流到上升床。如果想增大下连接管路52内的液-固流中的固体负载(颗粒的浓度)，可在下连接管路52在下降床侧的管口处任选地增加如图5所示的收集导管76，以在连接管路52的管口收集更多的颗粒。收集导管76可具有漏斗形状，顶部的截面比底部的大，以使一些颗粒在内部沉降。另外，可在下连接管路52中安装机械装置51(比如污泥泵或螺旋桨)以保证并控制从下降床230到上升床210的液-固流。这样的装置51可以是简单的螺旋桨装置或蠕动泵、双隔膜泵、或螺杆泵，这适用于此处公开的系统的所有实施方案。加入这样的控制装置将增大系统的操作灵活性。
同样，如果需要保证足量的固体颗粒50通过上连接管路54从上升床210运输到下降床230，以在两个流化床之间提供最小固体循环，可在上连接管路54在上升床侧的管口任选地增加如图5所示的收集导管66。优选地，该收集导管66延伸进入第一流化床中颗粒浓度高得多的密相，但它也可根据系统设置的特定应用延伸至其他区域。任选地，也可在上连接管路54中或在收集导管的某处安装机械装置53(比如螺旋桨或泵)以增大并控制从上升床210到下降床230的液-固流。该装置将颗粒从上升床210拉到下降床230，并保持适当的固体流动，从而保持适当的操作稳定性。
如果第二流化床230(下降床)中的收集导管76延伸更多，或者通过其他种类的内部或外部导引结构，也可以从第二流化床(下降床230)的其他位置(例如从密相区的中部)收集颗粒，并将它们循环进入第一流化床(上升床)。同样，可将第一流化床210(上升床)中的收集导管66延伸至第一流化床210的其他位置以收集用于再循环进入第二流化床230(下降床)中的颗粒。
如前所述，下降柱230包括需氧区，而上升柱210包括缺氧区和厌氧区。在需氧区中，在来自输入空气的氧的存在下，有机物及氨丰富的废水被主要固定在固体颗粒上的细菌生物降解成二氧化碳、水和硝酸盐等。空气和废水的连续流动保证需氧生物质的可持续性。在缺氧区中，流入的废水和来自需氧区的回流硝化活性污泥流出液混合，主要进行脱硝。来自下降柱230的需氧区的硝化流中的硝酸盐用作氧源以满足废水的氧需求。废水进料和从需氧区生物膜脱落的腐败中的生物质为脱硝提供碳源。当流入的可生物降解的废水组分对缺氧区产生氧需求时形成厌氧区。由于该需求因缺氧/空气流入而得不到满足，厌氧条件占优势。在厌氧区，储存的磷被释放，而挥发性脂肪酸被储存用于需氧区中的进一步降解。
在运行期间，其上具有生物膜的生物质载体或颗粒50从上升柱210中的厌氧区流到下降柱230的上部区域。需氧过程后，下降床230中的其上具有生物膜的生物质载体通过底部回流管路52被运输至上升床210的基底，以形成沿着上升床210向上流动的颗粒50。底部连接管路52可按移动填充床或致密运输床状态运行，但也可在半流化或颗粒流化态下运行。上连接管路54可按稀运输线运行或者在颗粒流化态下运行，但也可在半流化态下或按密运输床或移动填充床运行。在上下连接管路52和54中安装机械装置(比如泵、螺旋桨或类似装置)时，这两个连接管路趋向于在颗粒流化态下运行，具有良好的液-固悬浮流。
来自上升床210的顶部的流出液26回流以形成第一流化流体20的一部分，其连同原废水进料22和来自管路52的需氧区的硝化流出液的一部分，加上可能的来自下降床230的顶部的下降床回流流出液44的一部分18，然后通过上升床210随着颗粒50并流向上流动。在上升床的上部区域，大部分第一流化流体20作为上升床流出液26被除去，其余则连同流过上连接管路54的颗粒流进下降床230。如果将另外的气体注入上升柱210的底部12，则气体将连同流体并流向上移动以流化固体颗粒。这些气体将在上升床210的顶部被分离。
在系统的下降床(需氧)侧，来自如上所述的下降床流出液46的回流44形成第二流化流体40并在下降床230的底部进入。第二流化流体40连同注入的气体(最可能是空气)流56在下降柱内流化颗粒并通过下降柱230和颗粒50以对流关系移动，并在下降柱230的顶部作为下降床流出液46离开。流出液46的一部分作为已处理的水48释放，其中的一部分回流到下降柱230的底部以维持过程的运行，另一部分18可能回流至上升床的底部以成为第一流化流体20的一部分。如果采用这种方式，来自下降床230顶部的回流18流到上升床210的底部以模拟常规活性污泥型BNR系统中硝化的混合溶液从曝气池到缺氧池的再循环。在下降柱230的上部区域，大多数被带入的颗粒50和在过程期间脱落的污泥靠重力往回沉降，将它们和下降床流出液分离。
本领域技术人员可以认识到，两个流化柱的作用可以颠倒，即第一流化床(上升床)210可用于需氧过程，第二流化床(下降床)230可用于厌氧和缺氧过程。
3)上升床在快速流态下运行，下降床在常规颗粒流态下运行的系统的结构
图6显示双液-固流化床生物营养素脱除系统的实施方案的示意图，其中第一流化床是快速流化床，第二流化床是常规颗粒(气-)液-固流化床，因而所述系统是(气-)液-固循环流化床生物营养素脱除系统。
参考图6，本发明提供以400总体表示的液-固循环流化床生物营养素脱除系统，该系统由一对流化床组成，包括第一流化床412(上升柱)(缺氧和厌氧床)，第二流化床410(下降柱)(需氧床)，位于上升床顶部的液-固分离器446，和位于下降柱410顶部的相似的澄清器476，第一流化床和第二流化床根据颗粒的移动方向命名。分离器446和澄清器476都是任选的，但可以有助于防止流出液显著地带走颗粒。流化床410和412通过连接管路在它们的相邻端互相连接，连接管路使固体在两个柱之间循环。
第一流化床412是上升流化床，其中固体颗粒50通过底部连接管路442从第二流化床410转移并在流化床412的下端426附近进入流化床412，和第一流化流体428(比如原废水进料流472和来自位于上升床412顶部的液-固分离器446的回流液474的混合物)以并流关系向上流动，第一流化流体428在所示的结构中通过和流化床412的下端426都相邻的喷嘴430和入口432进入流化床412，并在其液流中运载颗粒50向上流经流化床412。颗粒50的上面固定了细菌。如上所述的第一流化床412是在液-固快速流态下运行的快速液-固流化床。任选地，也可将气体进料(图6未显示)注入到流化床412的下端426，以形成在气-液-固快速流态下运行的气-液-固流化床。
第一流化床412包括在其底端的分配器，分配器将进入的流体428(可以是进料流472和回流液474的混合物)的液流分成两个支流：主流460和辅流462。主流460通过喷嘴430引入，喷嘴430插入第一流化床柱412中。这个设计非常有利地增大底部固体回流管路442上的压力下降，并使系统更稳定。辅流462通过穿孔板入口432引入第一流化床412的底部426。辅流462的作用是在第一流化床412的底部搅起颗粒50，以通过主辅液流460和462的组合将颗粒50带上第一流化床。也可将两个液流460和462结合成一个液流并通过位于第二流化床410的底端426的单个分配器供给。通过下连接管路442从第二流化床410流动的涂布了细菌的颗粒50在第一流化床412的底端426流进第一流化床412。
另一方面，第二流化床410是常规的对流流动液-固床，其中涂布了细菌的固体颗粒50(例如，但不限于，熔岩颗粒、沸石、树脂、二氧化硅溶胶-凝胶或其他生物质载体)从流化床410顶部附近的上连接管路419进入(如管线417所示)并向下流动，第二流化流体420(比如回流的流出液444)在流化床410的下端424进入流化床410(如422示意)，并相对于颗粒50以对流关系向上流动。通过气体分布器480可将另外的气体482(比如空气)注入流化床410的底部。这样的气体在流化床410中形成气泡并和第二流化液体并流向上流动。由于气体注入，第二流化床410在此情况下事实上是气-液-固流化床。由于第二流化床410在常规颗粒流态下运行，它将具有两个区域：大多数颗粒50所在的底部密相区490，和仅存在少量从密相区490带入的颗粒50的顶部稀相区492。另外，稀相区492中的颗粒50也具有沉降回密相区490内的趋势，因此极少颗粒50从第二流化床410的顶部逸出。因而，在没有液-固澄清器的情况下不发生显著的颗粒损失。尽管如此，可在第二流化床410的顶部加入澄清器476，以进一步保证较多的被向上流动的流体带入的颗粒和脱落的污泥沉降回第二流化床410内，以使流出液带走的颗粒50损失最小。
如上所述，涂布了细菌的固体颗粒50在入口417进入下降柱410并向下经过流化床410。在它们穿过流化床410后，颗粒50连同一些带入的液体进入下连接管路442，并被引入第一流化床412。
柱410包括需氧区，而柱412包括缺氧区和厌氧区。在需氧区中，在来自输入空气的氧的存在下，有机物及氨丰富的废水被主要固定在固体颗粒50上的细菌降解成二氧化碳、水和硝酸盐等。空气和废水的连续流动保证需氧生物质的可持续性。在缺氧区中，流入的废水和来自需氧区的回流硝化活性污泥流出液混合，主要进行脱硝。来自下降柱410的需氧区的硝化流中的硝酸盐用作氧源以满足废水的氧需求。废水进料和从上升柱412的需氧区中涂布了生物膜的颗粒50脱落的腐败中的生物质为脱硝提供碳源。术语“脱落”表示分离，指在流出液中带走的松散的生物质，而不是颗粒上的生物质。
当流入的可生物降解的废水组分对缺氧区产生氧需求时形成厌氧区。由于该需求因缺氧/空气流入而得不到满足，厌氧条件占优势。在厌氧区，储存的磷被释放，而挥发性脂肪酸被储存用于需氧区中的进一步降解。
在运行期间，来自需氧过程的上面具有生物膜的生物质载体通过底部回流管路442被运进第一流化床412的基底，以形成被沿着第一流化床412带上的颗粒50。底部固体回流管路442大部分时间按填充活动床运行，但也可在半流化或常规流化态下运行。
在本发明的生物营养素脱除液-固循环流化床(BNR-LSCFB)废水处理系统中，固体颗粒50的循环速率可通过位于底部回流管路442的蝶形阀470或另一种机械阀门控制。将供给第一流化床412的进料流分成两个液流460和462(第一液流使上升床的底部区中的颗粒移动)形成另一液压阀，该液压阀也可控制固体颗粒50的循环速率。还有其他可能的液压阀种类，比如环封(loop seal)等(未显示)。机械阀或液压阀或两者都可用于控制固体颗粒50的流速。一般，机械阀相对于液压阀是优选的，因为机械阀通常在回流管上442提供更高和更稳定的压力下降，因此使系统更稳定并使之更易于在两个流化柱之间保持压力平衡。如果和机械阀共同使用，辅助液流462提供另外的对固体颗粒50的循环速率的控制。
来自流出液444的回流420在第二流化柱410的底部进入，连同注入的气体(主要可能是空气)一起流动以和颗粒50对流的关系经过下降柱410，并在流化柱410的顶部离开，如444所示。在流化柱410的上稀液区492中，在气体和流体流出流化柱之前，带入的颗粒50和脱落的污泥逐渐回到流化柱410的底部致密区490。如果安装澄清器476，则在第二流化床410顶部的澄清器476进一步分开带入的颗粒50和过程期间形成的脱落的污泥，并将它们返回到流化床410的下部。澄清器476也周期性地通过一个出入口(或多个出入口)445排出脱落的污泥。在444从流化柱410流出的流体是流出液，其中的一部分作为已处理的水排出，一部分作为第二流化流体420再回流到下降柱410的底部以维持过程的运行。
第一流化流体428(原废水进料472，加上来自上升柱412的出口(或，如果安装分离器的话，来自上升柱412顶部的液-固分离器446)的回流474，加上来自第二流化柱回到第一流化柱412的回流流出液444的一部分(作为硝化流出液回流418)的组合)，和颗粒50，连同来自需氧区的来自管路442的硝化流出液的一部分，以并流关系向上经过流化床412，然后进入液-固分离器446(比如沉降器)，该分离器446具有顶部流体溢出出口452(通过所述出口452，大部分第一流化流体428被脱除)和分离器446底部附近的出口450(通过所述出口450，颗粒50和来自流化床412的流体的一部分进入上连接管路419)。这些来自分离器446的固体颗粒50，连同上述带入的液体的一部分，在上连接管路419中向下流到下降柱410的入口417。如果将另外的气体注入上升柱412的底部426，则气体将连同流体并流向上移动以流化固体颗粒。这些气体将在顶部分离器446中被分离。
在处理后的流出液流(比如图6所示的实施方案中的液流444)中，可能有颗粒材料(比如胶状和悬浮的生物质)以及可能的少量细载体颗粒。可任选地加入除澄清器476之外的另一澄清器以进一步剥离这些颗粒物质。污泥将在这样的澄清器中积聚，然后被取出，一般从澄清器的底部或底部附近取出。最终流出液一般作为澄清器的溢出物排出，尽管也可制造许多其他装置。
本发明的应用
下面将就废水处理进一步描述本发明的应用，但本发明也可用于其它应用，例如许多工业过程的流出液处理。
下面通过下列非限制性实施例说明本发明。
实施例
图2显示了一个流程图，该流程图说明使用本发明的双-LSFB系统200(图5)的固定膜BNR过程。联系图5，下降床230中发生需氧过程，在上升床210的密相区的下部发生缺氧过程，在上升床210的密相区的上部发生厌氧过程。原废水22(一次流入液或一次流出液)先和来自上升床210顶部的缺氧/厌氧流出液回流24混合，然后注入上升床210的底部，在那里，再循环固体颗粒上负载的活性污泥连同来自下降床230中的需氧过程的一些之前被硝化的废水也和原废水22和缺氧/厌氧流出液回流24混合。含有原废水22、流出液回流24、之前硝化的废水和负载微生物的固体颗粒的流体在彼此接触的同时并流向上流过上升床210。上升柱210在液-固颗粒流态下运行并在液体和颗粒上的生物膜之间提供优异的界面传质。在上升床210的密相区的下部区，有助于脱硝的缺氧条件占优势。
在上升床的下半部中用于脱硝的碳源可以是废水进料的一部分，或从下降床生物膜脱落的腐败中的生物质，或者它们两者。然后，废水进一步向上流入上升床的密相区的上部维持的厌氧区，在那里，储存的磷被释放，挥发性脂肪酸被储存用于需氧区中的进一步降解。厌氧区的硝酸盐上游的消除将大大增强磷释放和需氧下降床230中的后续吸收。需要重点注意的是，由于液-固分离和后续的固体回流至下降床230在缺氧相后立即发生，也可能在需氧的下降床中发生增强的磷吸收。
在上升床210的上部的稀相区中，负载了微生物的固体颗粒被从液流中分离，并连同一些流出液通过上连接管路54被引入下降床230的顶部。来自上升床210的再循环固体加入下降床230的上稀相区并沿着下降床230向下流。来自下降床230顶部的流出液46的一部分形成流出液回流44，剩余部分48作为处理后的流出液离开系统。回流44的大部分(相当于废水进料速度的约2-15倍)回流到下降床230的底部，可能流出液回流44的另一部分18再回流至上升床210的底部。
回流液体44主要用于流化下降床230，从而将它从底部空气(或含氧气体)注入口附近引入下降床230。通过在下降床230提供空气并控制空气流速，和通过控制回流液体流速，可在下降床230中较好地将需氧区维持在常规气-液-固三相颗粒流态下。附着了生物质的固体靠重力流到下降床230的底部，然后通过底部连接管路52流到上升床210的底部。在过程期间形成的脱落的污泥的一部分在下降床230的密相区72和稀相区74的界面或界面之上通过出口70从需氧区周期性地排出。所述系统可以设计为从下降床到上升床18底部的流体流动具有合适的回流流速(例如，流入液流速的4倍)，以模拟常规活性污泥型BNR系统中从曝气池到缺氧池的硝化混合液的再循环。
也可联系图6用图2说明使用本发明的LSCFB系统的固定膜BNR过程。联系图6，在下降床410中发生需氧过程，在上升床412的下部发生缺氧过程，而在上升床412的上部发生厌氧过程。一个替代方案是在上升床412的下部进行缺氧过程，在上升床412的上部进行厌氧过程。在此情况下，原废水472(一次流入液或一次流出液)先和来自上升床顶部的液-固分离器446的缺氧/厌氧流出液回流474，加上从下降床410回到上升床412的回流流出液444的一部分(作为硝化流出物回流418)混合，然后注入上升床412的底部，在那里，再循环固体颗粒上负载的活性污泥连同来自下降床410中的需氧过程的之前硝化的废水的一部分也和原废水472和缺氧/厌氧流出液回流474混合。含有原废水、流出液回流474、之前硝化的废水和负载了微生物的固体颗粒的流体在彼此接触的同时并流向上流经上升床412。上升柱412在液-固快速流态下运行，并在液体和活性污泥之间提供优异的界面传质，因而显著增强处理强度。在上升床412的下部，有助于脱硝的缺氧条件占优势。在上升床的下半部用于脱硝的碳源可以是废水进料的一部分，或从下降床生物膜脱落的腐败中的生物质，或者它们两者。然后，废水进一步向上流到上升床的上半部保持的厌氧区，在那里，储存的磷被释放，挥发性脂肪酸被储存用于需氧区中的进一步降解。厌氧区的硝酸盐上游的消除将大大增强磷释放和需氧下降床410中的后续吸收。需要重点注意的是，由于液-固分离和后续的固体回流至下降床410在厌氧相后立即发生，也可能在需氧的下降床中发生增强的磷吸收。
在上升床412顶部的液-固分离器446中，负载了微生物的固体颗粒从液流中分离，连同也从液-固分离器446分离的一部分流出液，通过上连接管路419被引入下降床410的顶部。和来自上升床412的再循环固体一起处理后的废水在下降床410的顶部入口417和来自下降柱410向上流经下降床410的回流流出液结合。组合的液流444的一部分(相当于废水进料速度的约5到15倍)作为第二流化流体420回流进入下降床410，剩余部分444作为处理后的流出液离开系统。回流液体420也用于流化下降床410，从而优选将它从底部空气(或含氧气体)注入口附近引入下降床410。通过在下降床410提供空气并控制空气流速，和通过控制回流液体流速，可在下降床410中较好地将需氧区维持在常规气-液-固三相颗粒流态下。附着了生物质的固体靠重力流到下降床410的底部，然后通过底部倾斜连接管路442流到上升床底部。在过程期间形成的脱落的污泥的一部分通过澄清器476中的出口445周期性地从需氧区排出。所述系统可以设计为从下降床到上升床412底部的流体流动具有合适的回流流速(例如，流入液流速的4倍)，以模拟常规活性污泥型BNR系统中从曝气池到缺氧池的硝化混合液的再循环。
另一个替代方案是在第一流化床412中使上部的缺氧区位于厌氧区之上。在这种情况下，直接在流化柱412的中部的点416将所有的废水进料流472供给或注入到上部区，如图2和图6中的虚线(478)所示。在这种情况下，来自流化床412的流出液回流474仍然回流至上升床412的底部，以流化上升床的底部部分。任选地，上升床流出液回流474的一小部分可在厌氧区和缺氧区之间流进第一流化床412，上升床流出液回流474的剩余部分仍然在厌氧区之下在第一流化床412的底部或底部附近流进第一流化床412。
这个固定膜生物营养素脱除(BNR)双-LSFB过程在单个单元内结合了悬浮生长BNR过程和固定膜的优势。对于污泥沉降能力而言，以及因此对用于液-固分离的澄清器的尺寸的减小，除固定膜过程的优势之外，LSFB再循环附着介质的沉降速度高，因此仅需要小的液-固分离池，而不需要单独的澄清器。此外，由于流化，BNR-LSFB可以处理可溶的和带有颗粒的废水，因此不需要初级澄清器。更具体地，相对于广泛采用的常规活性污泥系统和近来开发的悬浮生长BNR系统，此处公开的BNR-LSFB系统具有下列优势。
1)由于每单位生物反应器体积的生物质密度更高，且消除了初级澄清器和次级澄清器，因而反应器的面积小得多，且尺寸非常紧凑；
2)使操作的劳动力需求最小，消除了常规任务，比如曝气池中的固体分析和活性污泥的返回、澄清器堰洗涤槽(clarifier weir launder)的清洁、污泥的排除(wasting sludge)、化学品投放的控制和化学品进料系统的维持；
3)由于生物固体保留更好，因而过程稳定性增强；
4)由于颗粒悬浮在流化床内，因而能够同时处理可溶解废品和颗粒状废品；
5)由于毒剂和生物质的比值比悬浮生长中的低，因而毒剂和抑制物质的冲击负载的易损性更小；
6)用于除磷的化学品加入的最小化/消除；
7)和活性污泥系统相比，由于缺氧池中的细菌产率更低，因而产生的污泥显著减少，且化学污泥最小化；和悬浮生长BNR系统相比，由于其运行时的固体停留时间更长，因此生物质腐败速率高得多，因而生物污泥最小化；
8)需氧量显著减少，因而能量需求节约较多；
9)由于流化床俘获更好引起的颗粒基底的利用增强，以及腐败的生物膜作为碳源，因而营养素脱除所需的有机碳可能减少。
总之，和现有技术相比，该过程提供了以显著的成本(资本和运行/维护成本)节约实现高处理程度的流出液质量的可能性，且过程稳定性优异。另外，当该固定膜BNR LSFB过程用于任何市政废水处理应用时，可有利地将它用于经常具有空间限制和特殊需要的工业的废物处理。例如，该技术可用于处理工业废水的特定浓缩流，以及用于对全部废水提供管端(end-of-pipe)处理。由于本发明技术提供大幅降低的成本、空间、和能量需求，该技术的其他潜在主要应用可能是资金有限的小团体和新技术开发。
在发明人进行的研究中，在变化的COD负载率下获得的流出液中的可溶解的COD浓度在4到20mg/L的范围内；在25℃到28℃的温度范围内，在最小2.2小时的总液压停留时间(HRT)下，氨氮脱除效率平均超过99％。通过增大硝化液体回流速率(recycle rate)，实现了小于5mg/L的流出液硝酸盐氮浓度。无论在缺氧床还是在需氧床，均未观察到硝酸盐聚积。看来BNR-LSFB不仅是常规活性污泥型BNR技术的优异替代方案，也能够处理高得多的负载并适用于工业应用。
应当理解，本发明的设备和方法不局限于下降柱具有需氧区，上升柱具有缺氧区和厌氧区；它们可以相反，从而注入气体的需氧区可以位于上升柱中，缺氧区和厌氧区可以位于下降柱中。
也应理解，对相同的固定膜生物营养素脱除(BNR)过程也可以使用多于两个流化床，有时候这是有益的。例如，图7显示了一起组合三个流化床的实施方案，流化床I用于缺氧过程，流化床III用于厌氧过程，流化床II用于需氧过程。
本领域技术人员理解，上升床和下降床的相对尺寸取决于废水特征和处理目标，因此若特定的需求需要不同的相对尺寸，则该技术可以容易地调整，以具有需氧上升床和缺氧/厌氧下降床。
此处使用的术语“包含”和“包括”应理解为包括在内和开放性的，而不是排他性的。具体地，当说明书包括权利要求书使用术语“包含”和“包括”以及它们的变体时，表示包括了指定的特征、步骤或组件。这些术语不应解释为排除其他特征、步骤或组件的存在。
上面的描述给出了本发明的优选实施方案，以说明本发明的原理，但不将本发明限制于所说明的特定实施方案。本发明的范围由权利要求及其等同的范围内所包括的所有实施方案限定。
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Claims (25)

1.用于原废水进料流中的生物营养素脱除的方法，该方法用于脱除碳、氮和磷，该方法包括下列步骤：
使原废水进料流流进第一流化床，使第一流化流体流进第一流化床，并使上面涂布了有效固定细菌的固体颗粒和第一流化流体通过保持在缺氧条件下的缺氧区，所述缺氧条件适合于流过缺氧区的原废水组分的脱硝；
使所述固体颗粒和第一流化流体循环经过所述第一流化床中的保持在厌氧条件下的厌氧区，所述厌氧条件适合于储存的磷的释放；
将所述第一流化流体中的一部分和所述固体颗粒分离以形成回流，并使所述固体颗粒和第一流化流体的剩余量循环进入第二流化床，其中所述第一流化流体至少包括流进所述第一流化床的回流；
用第二流化流体流使被转移至第二流化床的颗粒循环经过第二流化床，所述第二流化床具有保持在需氧条件下的需氧区，所述需氧条件适合于在氧的存在下，形成第二流化流体的一部分的原废水组分由固定细菌生物降解成二氧化碳、水和硝酸盐，以从需氧区产生硝化流出液；并
随着硝化流出液的一部分将所述固体颗粒从所述第二流化床循环到所述第一流化床，并在所述第二流化床中将剩余的硝化流出液和所述固体颗粒分离，从系统中脱除该分离的硝化流出液的一部分作为处理后的流出液，并使其余部分回到第二流化床的入口以形成第二流化流体。
2.根据权利要求1的方法，其中所述第一流化流体还包括和所述回流混合的原废水进料流，且其中所述缺氧区位于注入所述第一流化流体的入口之上，其中所述厌氧区位于缺氧区之上。
3.根据权利要求1的方法，其中在所述第一流化流体的入口之上基本上位于第一流化床中间位置的点将原废水进料流注入第一流化床，其中缺氧区位于厌氧区之上。
4.根据权利要求2的方法，该方法包括：将所述硝化流出液的剩余量的其余部分和所述回流及所述原废水进料流混合以产生第一流化流体，并在入口将第一流化流体注入所述第一流化床。
5.根据权利要求1到4任意一项的方法，其中所述第一流化床和第二流化床在常规颗粒流态下运行。
6.根据权利要求1到6任意一项的方法，该方法包括：向所述第二流化床的下端注入气体以形成气-液-固流化床。
7.根据权利要求1到4任意一项的方法，其中所述固体颗粒和所述第一流化流体并流流过所述第一流化床，并且其中所述固体颗粒和所述第二流化流体对流流过所述第二流化床。
8.根据权利要求1到4任意一项的方法，其中所述第一流化床按快速流态运行，所述第二流化床在常规颗粒流态下运行。
9.根据权利要求8的方法，该方法包括：向所述第二流化床的下端注入气体以形成气-液-固流化床。
10.根据权利要求1到4任意一项的方法，其中所述第二流化床中处于需氧条件下的需氧区通过向所述第二流化床中注入含氧气体而形成。
11.根据权利要求1到10任意一项的方法，其中所述第一流化床和第二流化床基本上是竖直柱，其中所述第二流化流体向上流动，所述固体颗粒向下流动，以与所述第二流化流体以对流关系流过所述第二流化床。
12.根据权利要求1到11任意一项的方法，其中所述第二流化床在适合于得到颗粒流态的条件下运行，使得固体颗粒在重力下流到第二流化床的底部。
13.根据权利要求10的方法，其中所述第一流化床和第二流化床基本上是竖直柱，其中所述第一流化流体向上流动，所述固体颗粒向上流动，以在所述第一流化床内并流流动。
14.根据权利要求13的方法，其中所述缺氧区位于所述厌氧区之下，其中所述第一流化流体在缺氧区之下的入口流进所述第一流化床。
15.根据权利要求1到14任意一项的方法，其中使所述固体颗粒和第一流化流体的剩余量循环进入所述第二流化床的步骤包括在所述第一流化床和第二流化床之间形成移动填充床。
16.根据权利要求1到14任意一项的方法，其中随着硝化流出液的一部分将所述固体颗粒从所述第二流化床循环到所述第一流化床的步骤包括在所述第二流化床和第一流化床之间形成移动填充床。
17.根据权利要求1到16任意一项的方法，该方法包括从所述第一流化床和/或第二流化床除去在废水处理期间形成的脱落的污泥的步骤。
18.根据权利要求1到17任意一项的方法，该方法包括从所述第二流化床中的预选位置提取固体颗粒并将它们循环到所述第一流化床的步骤，和/或包括从所述第一流化床中的预选位置提取固体颗粒并将它们循环到所述第二流化床的步骤。
19.双液-固流化床系统，该系统包括：
上面涂布了有效固定细菌的固体颗粒；
具有第一端和第二端的第一流化床，所述第一流化床是上升流化床并包括位于所述第二端用于将第一流化流体引入所述第一流化床的入口；
具有第一端和第二端的第二流化床，该第二流化床是下降流化床；
连接所述第一流化床的所述第二端和所述第二流化床的所述第一端的第一连接导管，所述第一连接构件包括将所述固体颗粒供给所述第二流化床的构件；
连接所述第二流化床的第二端和所述第一流化床的第一端的第二连接导管；和
构件，其通过所述第一连接导管将所述上面涂布了有效固定细菌的固体颗粒供给所述第二流化床，并通过所述第二连接导管将所述固体颗粒供给所述第一流化床，其中所述固体颗粒和所述第二流化流体在所述第二流化床中以对流关系流动，其中所述固体颗粒和所述第一流化流体在所述第一流化柱中并流流动。
20.根据权利要求19的双液-固流化床系统，该系统设置用于原废水进料流的生物营养素脱除，以从中脱除碳、氮和磷，所述原废水进料流通过废水进料流入口注入第一流化柱，所述废水进料流入口可以和位于所述第一流化柱的所述第二端的入口相同或不同，包括和所述第二流化床连接的气体注入构件，其中所述第二流化床包括用于在氧的存在下主要通过固定细菌生物降解废水的需氧区，其中所述第一流化床包括用于脱硝的缺氧区，和用于磷的释放的厌氧区。
21.根据权利要求19或20的双液-固流化床系统，其中所述第一流化床设置为第一流化流体的液体速度低于从颗粒流态到快速流态的转变速度。
22.根据权利要求19或20的双液-固流化床系统，其中所述第一流化床设置为第一流化流体的液体速度高于从颗粒流态到快速流态的转变速度。
23.根据权利要求19到22任意一项的双液-固流化床系统，其中所述第一流化床还包括位于其第二端的流体-固体分离构件，该分离构件用于将固体颗粒和流体分离并排出这样分离的流体以提供分离后的固体颗粒，所述分离后的固体颗粒的供给通过从流体-固体分离构件供给到第二流化床的构件来进行，其中所述第一流体循环构件将分离后的流体循环至第一流化床的第一端；所述系统包括位于所述第二流化床的第一端的澄清器构件，该澄清器构件用于将固体颗粒和流体分离并取出这样分离后的流体作为处理后的流出液以提供分离后的固体颗粒，所述分离后的固体颗粒沉降回第二流化床以使流出液造成的颗粒损失最小，其中所述澄清器构件包括用于排出在过程期间形成的脱落的污泥的污泥取出构件，其中所述第二流体循环构件将处理后的流出液的一部分循环至第二流化床的第二端作为第二流化流体。
24.根据权利要求19到23任意一项的双液-固流化床系统，其中所述第一连接导管和第二连接导管包括用于在所述第一流化床和第二流化床之间辅助移动流体和固体颗粒的泵和螺旋桨的任意一种。
25.根据权利要求19到24任意一项的双液-固流化床系统，该系统包括第三导管和第四导管，第三导管从所述第二导管延伸进入所述第二流化床中的预选位置，用于从所述第二流化床中的所述预选位置提取固体颗粒并将它们循环至所述第一流化床，第四导管从所述第一导管延伸至所述第一流化床中的预选位置，用于从所述第一流化床中的所述预选位置提取固体颗粒并将它们循环至所述第二流化床。
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